偏最小二乘模型在黄土坡面土壤侵蚀中的应用研究

发布时间：2021-01-25 07:10

　　选取不同坡度（5°、10°、15°、20°）和不同雨强（50、60、70、80 mm/h）的16场降雨,利用偏最小二乘模型研究了坡度、雨强、降雨历时、土壤初始含水率、剪切力5个因素对黄土坡面土壤侵蚀过程的影响程度。结果表明:（1）变量对数化处理后,偏最小二乘模型模拟精度和预测优度均达到0.8以上,径流率和产沙率相关系数为0.844;（2）VIP值显示,时间X₃、坡度X₁是驱动降雨初期径流率Y₁和产沙率Y₂变化的重要因素,其中时间X₃是最重要的影响因素;雨强对径流率和产沙率影响均较大,标准回归系数分别为0.408、0.341,初始含水率、剪切力的标准回归系数最大仅为0.145,表明二者对径流率和产沙率的影响都比较有限;（3）精度分析结果表明,模型模拟和预测精度都较高,与产沙率相比,径流率的预测精度更高,平均相对误差绝对值为18.813%,模拟预测的效果更好。 

【文章来源】：中国农村水利水电. 2020,(12)北大核心

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

实测值与预测值对比图

变量投影重要性指标VIP,是描述自变量对因变量影响程度的指标,若某个变量的VIP>1,则认为该变量是显著影响因素,值越大说明该自变量对因变量的影响越大[15]。为分析各个自变量对因变量的影响,绘制了变量投影图。如图1所示,采用VIP值来描述每一个自变量对因变量的作用大小。从图1可以看出,VIP的顺序为:X3>X1>X2>X4>X5。根据VIP>1则X在解释因变量时具有重要作用的原则,时间X3(min)、坡度X1(°)解释因变量径流率Y1(mL/s)和产沙率Y2(g/s)时具有重要作用,其中时间X3(min)在解释因变量Y1、Y2时具有最重要的作用。为了更直观的观测5个自变量对2个因变量的具体作用,针对标准化数据的回归方程,绘制了回归系数图(见图2)。从图2中可以看出,初始含水率对径流率的影响是要高于对产沙率的影响。但无论是对于产沙率还是径流率而言,初始含水率的影响都是负值,初始含水率越高,坡面的径流率和产沙率反而减小,这与文献[5]的研究结果不相一致,这可能是由于各场实验初始含水率本身差值不够明显,开始降雨后极短时间内土壤含水率就趋于饱和,难以避免的实验和观测误差导致模型对影响程度较低的含水率计算不够准确,从而出现随着初始含水率增加,径流率和产沙率总体为减小趋势这一现象。抗剪切力对径流率和产沙率的影响比较有限,对径流率的影响为正值,对产沙率为负值,这表明土壤抗剪切性越强,土壤越不易被侵蚀,坡面比较平整,径流受到的阻碍会越小。

为了更直观的观测5个自变量对2个因变量的具体作用,针对标准化数据的回归方程,绘制了回归系数图(见图2)。从图2中可以看出,初始含水率对径流率的影响是要高于对产沙率的影响。但无论是对于产沙率还是径流率而言,初始含水率的影响都是负值,初始含水率越高,坡面的径流率和产沙率反而减小,这与文献[5]的研究结果不相一致,这可能是由于各场实验初始含水率本身差值不够明显,开始降雨后极短时间内土壤含水率就趋于饱和,难以避免的实验和观测误差导致模型对影响程度较低的含水率计算不够准确,从而出现随着初始含水率增加,径流率和产沙率总体为减小趋势这一现象。抗剪切力对径流率和产沙率的影响比较有限,对径流率的影响为正值,对产沙率为负值,这表明土壤抗剪切性越强,土壤越不易被侵蚀,坡面比较平整,径流受到的阻碍会越小。坡度的变化主要是对产沙率产生影响,对于径流率,坡度变化的影响是微乎其微的,这与ZHAO[16]等人的研究结果一致,推测这种情况的出现可能由于在实验的坡度范围存在着临界坡度,使得径流率在这个区间的变化呈现波动,导致模型中无法精确体现出坡度对径流率的影响。降雨强度是径流率变化的一个主要影响因素,这是因为降雨是径流产生的来源,径流率的变化与雨强的变化紧密相关。在降雨初期,由于土壤入渗未达到稳定,径流是逐渐增加的,产沙也相伴增加,二者随降雨历时的变化明显。产沙率的主要影响因素除时间之外,坡度和降雨强度的影响相差较小,受到二者共同作用比较显著,坡度变化,土体的势能和水流动能都发生改变,而降雨强度的变化会使得动能的改变进一步加剧,产生叠加效应,二者交互作用共同影响产沙率的变化。时间对径流率和产沙率变化的影响程度相差不大,径流率和产沙率都随产流后降雨时间的延长而增大。


本文编号：2998809